混合动力自动变速器水套仿真分析

赵伟伟，杨瑄，张晨光，冯浩成，丁斌

（陕西法士特齿轮有限责任公司 智能传动研究所，陕西 西安 710077）

前言

P2架构的混动变速器的电机在工作的过程中，由于铜损和铁损会产生大量的热，而由于结构的特殊性，无法通过内部的循环油进行散热，因此应设计专用的电机冷却系统[1]。某P2架构的混动变速器采用的是电机壳体和套在电机定子外侧的水套组成的封闭腔作为冷却液循环通道进行冷却，水套和定子之间采用过盈配合。由于水套在工作的过程中温度变化较大，且水套也属于薄壁件，因此分析水套的压装应力，以及不同温度下的热变形以及热应力，具有重要的工程意义。

1 电机定子水套基本结构

电机冷却水套主要分为钢制水套和铝制水套，铝制水套导热性相对较好。因此，某P2架构的混动变速器采用的是带加强筋的铝制水套。

电机定子，水套和壳体之间的装配关系如图1所示，电机定子铁芯和水套通过过盈配合进行装配，而水套和电机壳体之间是绝对间隙配合，水套在工作过程中，其工作应力主要来自以下几个方面：

（1）电机定子和水套之间由于过盈配合产生的压装预应力[2]；

（2）电机水套在工作过程中，由于温度变化带来的温度预应力变化。

基于此，本文主要分析安装预应力以及工作过程中温度变化带来的应力变化分析，根据汽车的工作环境温度，初步确定温度范围为-40℃-150℃[3]。

图1 电机壳体、水套和电机定子之间的装配关系

2 定子和水套的安装分析

电机水套和定子之间的安装主要依靠键槽进行周向定位，依靠过盈配合进行固定安装，水套的预紧应力和过盈量有直接关系，某P2架构的混动变速器，水套和电机定子的理论过盈量为0.165mm，定子、水套、电机壳体的材料特性如表1所示。

定子和水套之间的摩擦系数取值0.17，环境温度20℃。在ABQUS中采用大位移分析，共分为16个载荷步。图2是载荷步1，载荷步8以及载荷步16下水套的等效应力分布。

图2 安装过程等效应力分布

图3 安装过程压装力变化

在载荷步1中，电机定子和水套初次进行接触，在载荷步8中，从应力分布图可以看出，此时定子已经走到了水套的中部位置，键槽处的应力逐步增大，但仍然未超出最大屈服应力。在载荷步16中，定子已经完全压装到水套中，从应力云图可以看出，水套的最大应力已经超出了最大应力，但是最大应力分布区域较小，因此，水套发生应力失效的可能性较小。

图3是定子压装过程压装力变化，最大压装力达到了57.5kN，因此，更推荐水套进行热压装。

3 水套工作过程中的应力分析

电机在工作的过程中，由于铁损和铜损的存在，会产生大量的热，这些热量主要通过循环冷却液将热量带走。

因此，电机在工作的过程中，电机壳内部的环境温度是在不断变化着的，而定子铁芯、水套以及电机壳因为热膨胀系数不一致，在相同的温升下的变形也不一致，因此会带来定子铁芯和水套之间的预紧应力的变化。

图4是-40℃、20℃以及125℃时的水套内部接触应力云图，分别模拟了极端低温下、常温下、高温下水套的接触应力分布。

图4 接触应力分布

图5 是-40℃、20℃以及125℃时的水套内部接触应力云图，分别模拟了极端低温下、常温下、高温下水套的应力分布。其应力主要集中在键槽处。

图5 等效应力分布

从图上可以看出，在极端低温下，由于热膨胀系数不同，水套的冷缩率明显大于定子铁芯的冷缩率，导致定子和水套之间地过盈量增大，过盈应力变大，最大应力出现在键槽处且超过了极限应力，且分布区域较大，有发生变形甚至胀断地风险。

在高温下，当温度达到125℃的时候，水套的接触应力基本消失，这是因为达到一定温度之后，水套和定子之间地过盈量会消失。在这种工况下，定子有从水套里脱出地风险。然后由于有冷却液的不断循环，水套的温度一般处于80-100℃之间，因此不会有脱出地风险。

4 水套的改进以及验证

在上一小节的计算中，水套在极端低温的状况下，由于过盈量变大，水套键槽处的应力超出了极限应力，有变形甚至有胀断地风险，这侧面说明了水套和定子之间地过盈量设计的偏大，将理论过盈量调整至0.1mm后，再次进行上述分析。

图6是-40°C、20°C以及108°C时的水套内部接触应力云图，分别模拟了调整间隙之后的极端低温下、常温下、高温下水套的接触应力分布。

图6 接触应力分布

图7 是-40°C、20°C以及108°C时的水套内部接触应力云图，分别模拟了调整后的极端低温下、常温下、高温下水套的等效应力分布。

图7 等效应力分布

从计算结果来看，接触应力消除时的温度由125℃降低到了108℃，虽然极限高温有所降低，但是依然在许可范围 之内。从水套的应力云图可以看出，在极端低温下，最大应力依然出现在键槽处，但是最大应力值有所下降，且没有超过屈服应力值，满足设计要求。

5 结论

本文基于某P2架构的混合动力自动变速器，模拟计算了水套和定子压装过程的压装力以及水套的应力分布，同时对水套和定子之间的理论过盈量进行了优化设计，结果表明，常温下对电机定子和水套进行压装产生的应力较大，且压装力较大，更推荐热压装工艺；水套和定子之间地过盈量较大，优化后地过盈量降低了在极端低温下水套变形或者胀断地风险。